想到實數線上的區間 (0,1) 時,每個點都感覺「安全地在內部」——你可以向兩個方向稍微移動而仍留在區間內。相較之下,[0,1] 的端點 0 恰好坐落在邊緣:每個鄰域都跨越了邊界。**內部(interior)**在任意拓撲空間中精確表達這種直覺,完全不提及距離。
內部點
設 (X,τ) 為拓撲空間,A⊆X。若存在開集 U∈τ 使得
x∈U⊆A,(1)
則稱 X 中的點 x 為 A 的內部點(interior point)。
用通俗的話說:x 是 A 的內部點,當 x 的某個開鄰域完全包含在 A 中。注意 x 本身必須屬於 A(因為 x∈U⊆A),所以只有 A 的點才能成為 A 的內部點。
集合的內部
A 的內部,記作 int(A)(或 A∘),是 A 所有內部點的集合:
int(A):={x∈X:∃U∈τ, x∈U⊆A}.(2)
有一個等價且通常更有用的描述:int(A) 是 A 的最大開子集(largest open subset),即所有包含在 A 中的開集的聯集:
int(A)=⋃{U∈τ:U⊆A}.(3)
為了看出兩者一致,注意任何包含在 A 中的開集 U⊆A 都將其所有點貢獻到 (3) 的聯集中,使它們依 (1) 成為內部點。反之,每個內部點 x 都見證了一個滿足 U⊆A 的開集 U∋x,所以 x 也被聯集所包含。由於 τ 在任意聯集下封閉(公理 T2),(3) 中的聯集本身也是開集。
範例
實數線上的標準拓撲
在 R 的標準度量拓撲下:
- int((0,1))=(0,1) ——開區間的內部就是它本身。
- int([0,1])=(0,1) ——端點 0 和 1 被去掉,因為它們附近沒有任何開區間完全包含在 [0,1] 中。
- int([0,1))=(0,1) ——同理;0 在邊緣。
- int(Q)=∅ ——每個開區間都含有無理數,故沒有開集包含在 Q 中。
- int(R)=R ——全集是開集。
離散拓撲
在任意集合 X 上的離散拓撲中(每個子集都是開集),每個單點集 {x} 都是開集。對任意 A⊆X 和任意 x∈A,開集 {x} 滿足 x∈{x}⊆A,故 A 的每個點都是內部點:
int(A)=A(離散拓撲).
密著拓撲
在 ∣X∣>1 的 X 上的密著拓撲中(只有 ∅ 和 X 是開集),唯一的非空開集是 X 本身。滿足 U⊆A 的開集 U 必須屬於 {∅,X},所以只有 U=∅ 的可能(除非 A=X):
int(A)={X∅若 A=X,否則.
內部的性質
設 (X,τ) 為拓撲空間,A,B⊆X。
- int(A) 是開集,且 int(A)⊆A。(直接由 (3) 得出。)
- A 是開集,當且僅當 A=int(A)。 若 A 是開集,它是 (3) 的聯集中的一個集合,故 A⊆int(A);結合 int(A)⊆A 得到等式。
- 冪等性: int(int(A))=int(A)。由於 int(A) 已是開集,它的內部就是它本身。
- 單調性: 若 A⊆B,則 int(A)⊆int(B)。
- 對交集的分配: int(A∩B)=int(A)∩int(B)。
- 對聯集的半分配: int(A)∪int(B)⊆int(A∪B)。等號一般不成立:在 R 中,int([0,1])∪int([1,2])=(0,1)∪(1,2) 漏掉了 1,而 int([0,1]∪[1,2])=int([0,2])=(0,2)。
對偶視角:閉包
內部與閉包(closure)透過取補運算互為對偶:
int(A)=X∖X∖A,(4)
其中 B 表示 B 的閉包。你可以把這讀作:A 的內部由那些不在補集閉包中的點組成。這種對偶性是根本性的——關於內部的結論和關於閉包的結論可以透過取補互相轉化。
摘要
- 當某個開集 U 滿足 x∈U⊆A 時,x 是 A 的內部點。
- 內部 int(A) 是 A 所有內部點的集合,等價地也是 A 的最大開子集。
- A 是開集,當且僅當 A=int(A)。
- 內部算子具有冪等性和單調性,對有限交集可分配,對聯集只有單向的分配。
- 在離散拓撲中每個集合等於自己的內部;在密著拓撲中只有 ∅ 和 X 如此。
- 內部與閉包互為對偶:int(A)=X∖X∖A。